Между 1962 и 1966 г. е кандидат-член на ЦК на БКП, а от 1966 до 1990 г. е член на ЦК на БКП. Първи заместник-председател на Държавния комитет за планиране. От 1977 до 1986 г. Атанасов е секретар на ЦК на БКП отговарящ за организационните въпроси и отдел „Организационен“ на БКП като по този начин се нарежда като втори човек в йерархията на БКП след Тодор Живков, а от 1981 до 1986 г. е и заместник-председател на Държавния съвет и председател на Комитета за държавен и народен контрол с ранг на министър в правителството на Гриша Филипов. В началото на 1985 година е част от специална временна комисия от висши функционери, която координира т.нар. Възродителен процес.

През март 1986 г. заменя Гриша Филипов като председател на Министерския съвет, а по-късно същата година оглавява и 78-ото правителство на България. Награден е с ордените „Георги Димитров“ и „13 века България“. През 1990 г. Георги Атанасов е освободен от всички постове в преименуваната Българска социалистическа партия. През 1992 г. е осъден на 10 години затвор за финансови злоупотреби, но е помилван от президента Желю Желев през 1994 г. по здравословни причини. След смъртта на Димитър Попов на 5 декември 2015 г. Георги Атанасов се превръща в най-възрастния жив бивш министър-председател на България. Той е и последният жив министър-председател преди 10 ноември 1989 г.